JP6467189B2 - 電力供給ネットワークに接続された発電機の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は電力供給ネットワークに接続された発電機の運転方法に関する。特に本発明は電力供給ネットワークにおけるネットワーク障害時、とりわけ電気的なショート（短絡）状態における同期発電機に関する。

電力供給ネットワークにおけるネットワーク障害時、特に電気的なショート、および電力供給ネットワークにおいて同時に起こるネットワーク電圧の低下時、電力供給ネットワークに連結された発電機、特に同期発電機の運転パラメータ、例えば回転速度や負荷角において望ましくない変化が起こり得る。負荷角（ｌｏａｄ ａｎｇｌｅ）という用語は、知られているとおり、発電機の固定子（ｓｔａｔｏｒ）の回転磁場のベクトルと、発電機の回転子（ｒｏｔｏｒ）の回転磁場のベクトルとの間の角度を意味して使用される。

ネットワーク電圧の低下は、発電機から電力供給ネットワークへの配電の顕著な低下を引き起こす。発電機の回転子がエンジンシャフトに連結される通常の構造の場合、内燃エンジン（例えばガスエンジン）の回転子の駆動は、電力を提供する内燃エンジンおよびその回転子の回転速度の増加につながり得る。結果として、発電機と電力供給ネットワークとの同期は失われ、発電機の損傷さえ起こり得る。

電力供給ネットワークにおけるネットワーク障害の検出は、例えば、電力供給ネットワークのネットワーク電圧、および／または発電機から電力供給ネットワークに供給される電流、および／または発電機もしくは内燃エンジンの回転速度、および／または内燃エンジンのエンジンシャフトもしくは監視されている発電機の回転子シャフトのトルクによって影響され得る。この場合、予め定められたしきい値を超える、監視されている運転パラメータのうち、少なくとも１つで変更が生じると、ネットワーク障害が検出される。その点で、発生する変更は、複数の運転パラメータが、予め定められたしきい値を超える、付随する変化を含む場合にのみ、ゆえに、例えばネットワーク電圧と電流の両方、さらに回転速度が付随する逸脱を含む場合にネットワーク障害として検出される。発電機はネットワーク障害の間、電力供給ネットワークに連結されたままでもよい。

このようなネットワーク障害に対応するための従来の方法は、発電機の回転速度の増加、およびこれに関連する負荷角の増加に対抗するために、適切な対策を取ることであった。従って、通常は回転速度と負荷角とを減じる対策が取られる。例として、このような対策は、連動してスロットルで調整される発電機に連結された内燃エンジンによる、加速モーメント（ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｍｅｎｔ）の低減である。

しかし、従来の対策は、ある特定の状況におけるネットワーク障害が起こった際、不利であることが判明している。発電機の回転速度はネットワーク障害の発生では増加せず、代わりに、まず低下する。「バックスイング（ｂａｃｋ−ｓｗｉｎｇ、一時的減速）」という英語の技術用語で当業者に知られる影響は、ある特定の状況下において、発電機のポールスリップ（ｐｏｌｅ ｓｌｉｐｐａｇｅ）さえも引き起こし得る。次に、ポールスリップは発電機の不安定性を生じさせ、エンジンシャフトにより内燃エンジンから回転子へ導入される機械動力は、発電機によって所望の電力に変換できなくなる。

本発明の目的は、上記の不利な点を防止し、電力供給ネットワークにおけるネットワーク障害時に、発電機を運転するための最新技術で改良された方法を提供することである。

本発明によれば、この目的は請求項１の特徴によって達成される。本発明の効果的な構成は、従属する請求項に記載されている。

本発明によれば、発電機の電気的励磁は、ネットワーク障害が起こる前に、および／またはネットワーク障害の間に、発電機の少なくとも１つの運転パラメータの値に依存して、少なくとも一時的に低下する。

発電機の電気的励磁は、発電機の伝導可能な電力および出力電圧のレベル、ひいては発電機から電力供給ネットワークに供給される無効電力を決定する。ネットワークの電圧降下中に発電機の出力電圧が上昇すればするほど、電力供給ネットワークに供給される電力は上昇する。従って、ネットワークの電圧降下中に電力供給ネットワークから供給される電力レベルは、発電機の電気的励磁が低くなることによって低下される。このことは、特に、バックスイング効果を引き起こす電力供給ネットワークにおけるネットワーク障害時に効果的である。内燃エンジンが発電機を駆動する構成の場合、内燃エンジンの機械動力と発電機によって配電された電力との間で、ネットワーク障害、特にバックスイングの場合に起こる不均衡（ｉｍｂａｌａｎｃｅ）に対し、効果的に逆作用させることが可能なことを意味する。

提案する方法は、慣性定数が１．５ Ｗｓ／ＶＡ以下で、好適には１ Ｗｓ／ＶＡである発電機に特に有効である。なぜなら、バックスイング効果は、慣性定数の低い発電機に対してより強く作用するからである。

好適な実施形態において、発電機は、好適には連結装置を使用して内燃エンジンと連結される。例えば、内燃エンジンは、オットーサイクル、ディーゼルエンジン、またはガスタービンで作動される、往復ピストンガスエンジン（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｐｉｓｔｏｎ ｇａｓ ｅｎｇｉｎｅ）でもよい。

ネットワーク障害において、発電機の運転パラメータの逸脱は、内燃エンジンによって発電機に導入される機械動力と、発電機によって電力供給ネットワークに供給される電力との間で起こる不均衡を理由に、頻繁に起こる。ネットワーク障害の結果発生するバックスイング効果の場合、この不均衡は電力が機械動力よりも大きくなることによって生じ得る。発電機の電気的励磁の低減、および同時に起こる配電された電力の低減によって、この不均衡に対処することは可能である。

好適には、発電機の励磁は、発電機のための励磁機電圧を下げる、または発電機に供給する励磁機の電流を減少させることにより減じられる。励磁装置は励磁機電圧によって稼働され得る。この点において、発電機を励磁するために、発電機の外部もしくは発電機に当接するように配置された励磁装置を使用することが可能である。また、励磁装置は、励磁機電圧によって作動される、その後、発電機に励磁を起こさせるために、発電機の該当するコイル（ｗｉｎｄｉｎｇｓ、巻線）に供給される励磁機電流を生成することが可能である。

本発明の好適な実施形態に準じて、ネットワーク障害がおきる前に発電機から電力供給ネットワークに配電された電力は、運転パラメータとして検出され、ここで励磁はネットワーク障害がおきる前に配電された電力に応じて減じられる。この点において、励磁は、予め定められた参照値であって、好適には定格出力である値に関するネットワーク障害の前に配電された電力の差（違い）に、実質的に比例して減じられうる。

好ましくは、発電機、および／または連結装置、および／または内燃エンジンの一時的な（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ、過渡的な）回転速度は、ネットワーク障害の間に運転パラメータとして検出される。励磁は、ネットワーク障害の前の回転速度に対する一時的な回転速度の差に実質的に比例して減じられる。

例として、以下の式Ｆ１によって、予め設定可能な、１００％の公称励磁機電圧に対する励磁機電圧率を確定（ａｓｃｅｒｔａｉｎ、確認）することが可能である。すなわちＦ１は、
Ｓ３＝１００％−（Ｓ１_ｒｅｆ−Ｓ１）＊Ｐ_{ｓｐｅｅｄ}
ここでＳ３は、１００％の公称励磁機電圧に対する励磁機電圧率を表し、Ｓ１_ｒｅｆは１００％の公称回転速度に対する、発電機、または連結装置、または内燃エンジンのネットワーク障害前の回転速度のパーセンテージを表し、Ｓ１は１００％の公称回転速度に対するネットワーク障害の間の発電機、または連結装置、または内燃エンジンの一時的な回転速度のパーセンテージを表し、Ｐ_{ｓｐｅｅｄ}は励磁機電圧の強さに影響を与え得る、正の（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）比例定数を表す。

別の実施形態によると、発電機、および／または連結装置、および／または内燃エンジンの回転速度の変化は、ネットワーク障害の間に運転パラメータとして検出される。励磁は、回転速度の変化の大きさに応じて減じられる。

内燃エンジンのエンジンシャフト、および／または発電機の回転子シャフトのトルクはネットワーク障害の間に運転パラメータとして検出され、励磁はトルクに応じて減じられる。

さらに好適な実施形態では、発電機の負荷角がネットワーク障害の間に運転パラメータとして検出される。励磁は実質的に、間接的に検出された負荷角の大きさに比例して減じられる。

例えば、減じられた励磁機電圧は、負荷角が負角である場合、以下の式Ｆ２によって確定できる。すなわちＦ２は、
Ｓ３＝１００％＋（Ｓ２／１８０）＊１００％＊Ｐ_{ｌｏａｄ＿ａｎｇｌｅ}
ここでＳ３は１００％の公称励磁機電圧に対する比率に対応して減じられた、励磁機電圧率を表し、Ｓ２は測定された負の負荷角を度で表し、Ｐ_{ｌｏａｄ＿ａｎｇｌｅ}は励磁機電圧の低下の度合に影響を与え得る、正の比例定数を表す。

好適には、励磁は、予め設定可能な最小の励磁まで、最大限に減じられる。このことにより、発電機の最小励磁を確保できる。よって、例えば、上記の式Ｆ１およびＦ２の各パラメータＳ３に最小値を予め設定することが可能である。それにより励磁機電圧率がその値以下に減少することはない。この安全対策により、内燃エンジンの深刻な運転状況を回避できる。

特に好適な実施形態によると、ネットワーク障害の間の発電機の運転パラメータの変動が、検出される。発動機の励磁は、この変動が予め設定可能な強さ（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を超えるとき、減じられる。この点において、発電機の負荷角の変動が検出され、発動機の励磁は、この変動が２度を超える振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ,偏角）である場合であって、好適には１０度を超える振幅である場合に、減じられる。

バックスイング効果を起こすネットワーク障害の場合、発電機によって電力供給ネットワークに供給される電力の増加を補償する（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ）ために、内燃エンジンの機械動力を増加することが効果的である。ネットワーク障害の持続時間に対して、内燃エンジンの該当する制御要素（ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｍｂｅｒ）の反応時間が長すぎる場合、好適には、内燃エンジンの制御要素はそれぞれの位置に保持され得る。このことにより、少なくとも、内燃エンジンによって導入される機械動力は、ネットワーク障害の前に有効だったレベルに維持される。

本発明の詳細と有利点は、図による具体的な記載により記述される。
図１は電力供給ネットワークに電気的に連結され、内燃エンジンで駆動される発電機の概略を示す回路ブロック図である。 図２は電力供給ネットワークにおけるネットワーク障害の間の、発電機の負荷角の時間に関する変動を表す。

概略的な回路ブロック図の図１は、三相構造の電力供給ネットワーク１に電気的に連結された発電機２を図示している。発電機２は同期発電機の形式であり、固定子６と、固定子６内に回転可能に取り付けられた回転子７を有する。電力供給ネットワーク１は、知られている方法で、発電機２の固定子６上のコイルに連結される。電力供給ネットワーク１は、ネットワークの周波数を予め設定する公共の電力供給ネットワークであってもよく、あるいは、例えば発電機２によってネットワーク周波数が予め設定されるアイランドモード（ｉｓｌａｎｄ ｍｏｄｅ）の運転における、局所（Ｌｏｃａｌ）電力供給ネットワークであってもよい。回転子７または発電機２の回転子部材は実質的に回転不可の状態で、連結装置３によって内燃エンジン４のエンジンシャフト８に連結される。内燃エンジン４は、例えばオットーサイクルで運転される、スパーク点火タイプの往復ピストンエンジンの形式の定置式ガスエンジンであってもよい。

内燃エンジン４によって伝達される機械動力Ｐ_ｍｅｃｈはエンジンシャフト８を介して発電機２に導入され、発電機２において電力Ｐ_ｅｌに変換され、引き続き、電力Ｐ_ｅｌが電力供給ネットワーク１へと配電される。

図示される例において、最新技術として知られている回転速度センサ９は発電機２、連結装置３および内燃エンジン４に取り付けられ、それによって、エンジンシャフト８または回転子７の回転速度ｎが検出され、適切な信号線１０によって制御装置１１へと信号を送る。さらに、エンジンシャフト８と回転子７の回転子シャフト７’に取り付けられるのはトルクセンサ１２であり、トルクセンサ１２によって、連結装置３の上流のエンジンシャフト８と、連結装置３の下流の回転子シャフト７’での機械トルクＭ_Ｌが検出され、さらに適切な信号線１０によって制御装置１１へと信号が送られることが可能である。次に、制御装置１１は、例えば検出された回転速度ｎから等の知られている方法で、回転子７の一般的な負荷角５を確定できる（図２参照）。また、負荷角５は発電機の誘導抵抗や測定された電気的パラメータ（電圧、電流、電力の因子）に基づいた計算によって確定することができる。

さらに、発電機２に取り付けられているのは、最新技術として知られているところの電力測定手段１３であって、発電機２によって電力供給ネットワーク１に供給される電力Ｐ_ｅｌと、同一の信号線１０を用いた制御装置１１および電圧調節器１５（ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）への信号と、を確定する電力測定手段１３である。これに関連して、電力測定手段１３は電圧および電流の測定から、既知の方法で電力Ｐ_ｅｌを確定できる。

ここで、発電機の回転子７は、電気励磁機電流Ｉ_Ｅを伴う同期装置（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｃｈｉｎｅ）形式の励磁装置１４によって作動される励磁機コイルを有している（詳細は図示せず）。励磁装置１４は励磁機電圧Ｓ３の電圧調節器１５によって作動され、励磁機電圧Ｓ３に対応する励磁機電流Ｉ_Ｅが発電機の回転子７上の励磁機コイルに設定される。

電力供給ネットワーク１のネットワーク障害の間、特にバックスイング効果を引き起こすネットワーク障害の間に、制御装置１１は、ネットワーク障害の前、および／またはネットワーク障害の間の発電機２の少なくとも１つの運転パラメータの値に依存し、電圧調節器１５によって最大励磁機電圧Ｓ３として出力される、対応して減じられた最大電圧Ｓ３を確定し、且つ、制御線１６を経由して、この最大電圧Ｓ３を電圧調節器１５へと信号で伝える。最大電圧Ｓ３によって制限され、電圧調節器１５によって出力が可能となった最大励磁機電圧Ｓ３によって、発電機２の回転子７上の励磁機コイルのための励磁装置１４によって供給される励磁機電流Ｉ_Ｅが相応に減じられる範囲において、結果として、発電機２の励磁の低減が達成可能となる。励磁機電圧Ｓ３は、１００％の公称励磁機電圧に対する励磁機電圧率となり得る。これに関連して、公称励磁機電圧に対して減じられた励磁機電圧率Ｓ３は、上述した式Ｆ１および式Ｆ２のそれぞれに従って、制御装置１１および／または電圧調節器１５によって確定されることが可能である。

内燃エンジン４の制御要素（詳細は図示せず）は、内燃エンジン４によって伝達される機械動力を変更するために、エンジン制御線１７を用いて動作し得る。制御要素は、例えばスロットルフラップ（ｔｈｒｏｔｔｌｅ ｆｌａｐ）、ターボチャージャのバイパス弁、ウェイストゲート（ｗａｓｔｅ ｇａｔｅ）であってもよい。従って、バックスイングの場合、内燃エンジン４の機械動力の出力は、発電機２によって電力供給ネットワーク１に供給される電力の増加を補償するために、エンジン制御ライン１７を用いて増加され得る。ネットワーク障害の期間に関して内燃エンジン４の対応する制御要素の反応時間が長すぎる場合、内燃エンジン４の制御要素は、好適にはその位置に保持されてもよい。そうすることによって、内燃エンジン４によって導入された機械動力は、少なくとも、ネットワーク障害前に有効であったレベルに維持される。

図２は、バックスイング効果を引き起こすネットワーク障害の間の秒単位の時間ｔに対する、発電機２の回転子７の負荷角５の時間の変化を表す。図に見られるように、ネットワーク障害の間に負荷角５の変動が起きている。破線の構成は、ネットワーク障害に対する従来の制御対策を適用させた場合の負荷角５の変動を表し、実線は提案する方法を適用した場合の負荷角５の構成を表している。提案する方法を適用した場合に明確に見て取れるように、負荷角５の変動の振幅が減じられて、それによって、全体として、ネットワーク障害の間の発電機２に、より高度な安定性をもたらす。この図に関して、プラスマイナス１８０度の負荷角５は、スリップ限界（ｓｌｉｐｐａｇｅ ｌｉｍｉｔ）を表し、また、見て取れるように、提案する方法を使用しなければ、発電機２はすでにスリップ限界に極めて近い。

概して、提案する方法は、ネットワーク障害によって引き起こされるバックスイング効果が発生する状況で、内燃エンジンによって駆動される少なくとも１つの発電機を含む発電機、または電力プラントの安定性を向上させることが可能である。バックスイング効果が起こる、このような障害状況において、従来の制御の対策は、バックスイング効果を考慮に入れておらず、例えば発電機の励磁を減少させるのではなく増大させることから、非生産的である。

好適には、提案する方法はバックスイング効果の発生時にのみ、ネットワーク障害に対して使用され得る。また、従来の制御の対策は、バックスイング効果が消滅した後に再度使用することが可能である。

Claims (12)

1. 電力供給ネットワーク（１）におけるネットワーク障害の間、特に、電気的なショートの間に、前記電力供給ネットワーク（１）に連結された発電機（２）を運転する方法であり、特に同期発電機を運転する方法であって、
   前記発電機（２）の電気的励磁が、ネットワーク障害がおきる前、および／またはネットワーク障害の間に、前記発電機（２）の少なくとも一つの運転パラメータの値に依存しており、少なくとも一時的に低下し、
   ネットワーク障害がおきる前に前記発電機（２）によって前記電力供給ネットワーク（１）に配電された電力（Ｐ _el ）が運転パラメータとして検出され、励磁は、ネットワーク障害がおきる前に配電された前記電力（Ｐ _el ）に応じて減じられることを特徴とする方法。
2. 前記励磁は、予め設定された参照値に対して、好適には定格出力に対して、ネットワーク障害がおきる前に配電された電力（Ｐ_el）の差に実質的に比例して減じられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 電力供給ネットワーク（１）におけるネットワーク障害の間、特に、電気的なショートの間に、前記電力供給ネットワーク（１）に連結された発電機（２）を運転する方法であり、特に同期発電機を運転する方法であって、
   前記発電機（２）の電気的励磁が、ネットワーク障害がおきる前、および／またはネットワーク障害の間に、前記発電機（２）の少なくとも一つの運転パラメータの値に依存しており、少なくとも一時的に低下し、
   前記内燃エンジン（４）のエンジンシャフト（８）、および／または前記発電機（２）の回転子シャフト（７）のトルク（Ｍ_L）はネットワーク障害の間に運転パラメータとして検出され、励磁は、前記トルク（Ｍ_L）に応じて減じられることを特徴とする方法。
4. 前記発電機（２）は、慣性定数が１．５ Ｗｓ／ＶＡ以下で、好適には１ Ｗｓ／ＶＡであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 好適には、前記発電機（２）は、連結装置（３）を使用して内燃エンジン（４）と連結されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 前記発電機（２）の電気的励磁は、前記発電機（２）のための励磁機電圧（Ｓ３）を下げることによるか、または前記発電機（２）に供給する励磁機電流（Ｉ_E）を減少させることによって、減じられることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 前記発電機（２）、および／または前記連結装置（２）、および／または前記内燃エンジン（４）の一時的な回転速度は、ネットワーク障害の間に運転パラメータとして検出され、励磁は、ネットワーク障害の前の回転速度に対する一時的な回転速度の差に実質的に比例して減じられることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記発電機（２）、および／または前記連結装置（３）、および／または前記内燃エンジン（４）の回転速度の変化は、ネットワーク障害の間に運転パラメータとして検出され、励磁は、回転速度の変化の大きさに応じて減じられることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 前記発電機（２）の負荷角（５）がネットワーク障害の間に運転パラメータとして検出され、励磁は、実質的に間接的に、前記検出された負荷角（５）の大きさに比例して減じられることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の方法。
10. 励磁は、予め設定可能な最小の励磁まで、最大限に減じられることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. ネットワーク障害の間の前記発電機（２）の運転パラメータにおける変動が運転パラメータとして検出され、前記発電機（２）の励磁は、前記変動が予め設定された強さを超えるときに減じられることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記発電機（２）の前記負荷角（５）の前記変動が検出され、前記発電機（２）の励磁は、前記変動が２度を超えた振幅、好適には１０度を超えた振幅となった場合に減じられることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
    

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